[發(fā)明專利]一種單晶Ge-Sn-Te納米線的制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011347874.6
• 申請(qǐng)日: 2020-11-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112593284A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張杰;劉玉申;楊希峰;洪學(xué)鹍;邵振廣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 常熟理工學(xué)院
• 主分類號(hào): C30B25/00
• 分類號(hào): C30B25/00;C30B29/52;C30B29/62;C23C16/06;C23C16/44;B82Y30/00;B82Y40/00;H01L35/16
• 代理公司: 常州佰業(yè)騰飛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32231
• 代理人: 滕詣迪

本發(fā)明公開(kāi)了一種單晶Ge?Sn?Te納米線的制備方法，將GeTe粉末預(yù)先加熱處理，再和Sn粉末混合作為反應(yīng)源，將上述反應(yīng)源置于化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)區(qū)內(nèi)；其后，將所述反應(yīng)區(qū)溫度提升至第一設(shè)定溫度，而將所述襯底溫度維持于第二設(shè)定溫度，按設(shè)定流速持續(xù)通入載氣；反應(yīng)結(jié)束后，繼續(xù)通入載氣，使化學(xué)氣相沉積設(shè)備自然降溫，獲得單晶Ge?Sn?Te納米線。本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積法，利用預(yù)加熱GeTe粉末手段，制備了組分可控的立方Ge?Sn?Te納米線，將相變溫度降低至300K以下，從而使立方GeTe基材料發(fā)揮優(yōu)異的熱電性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種熱電材料的制備方法，具體涉及一種單晶Ge-Sn-Te納米線的制備方法。

背景技術(shù)

熱電材料是一種能源轉(zhuǎn)換材料，它能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)換成電能，也可以利用電能進(jìn)行制冷，并且在能源轉(zhuǎn)換過(guò)程中不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。目前，熱電材料的優(yōu)越性質(zhì)與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值正受到高度關(guān)注，如轉(zhuǎn)能穩(wěn)定、無(wú)污染、體積小、使用壽命長(zhǎng)等。但是，由于能源轉(zhuǎn)換效率偏低、原料昂貴和制備成本高昂等因素限制了其在日常生活中的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。由此，從材料制備及性能優(yōu)化出發(fā)，大力研發(fā)多種類高性能的熱電材料將具有重要的科研與實(shí)用價(jià)值。

GeTe屬于無(wú)鉛體系，最近已經(jīng)受到了熱電學(xué)界的高度關(guān)注，旨在取代傳統(tǒng)的PbTe。判定一種熱電材料性能的優(yōu)劣通常采用一個(gè)無(wú)量綱的品質(zhì)因子ZT值。ZT值越高其熱電性質(zhì)越好，所制成的熱電器件的轉(zhuǎn)換效率就越高。由于GeTe中存在本征Ge空位，菱方結(jié)構(gòu)GeTe是一種典型的退化型半導(dǎo)體，其空穴濃度很高，從而導(dǎo)致相對(duì)較低的ZT值。同時(shí)，作為一種熱電材料，GeTe在約700K時(shí)從菱方結(jié)構(gòu)向立方結(jié)構(gòu)的相變是能量收集應(yīng)用的主要障礙。有研究報(bào)道，元素In[L.H.Wu,X.Li,S.Y.Wang,T.S.Zhang,J.Yang,W.Q.Zhang,L.D.Chen andJ.H.Yang,NPG Asia Mater.2017,9(1),343-7.]、Bi[D.Wu,L.D.Zhao,S.Q.Hao,Q.K.Jiang,F.S.Zheng,J.W.Doak,H.J.Wu,H.Chi,Y.Gelbstein,C.Uher,C.Wolverton,M.Kanatzidis,and J.Q.He,J.Am.Chem.Soc.2014,136(32),11412-11419.]及Sb[S.Perumal,S.Roychowdhury,S.Negi,R.Datta,and K.Biswas,Chem.Mater.2015,27(20),7171-7178.]取代Ge位點(diǎn)摻雜能夠有效地降低空穴濃度并進(jìn)一步提高ZT值。然而，這些通過(guò)摻雜手段合成出的多組分熱電材料在溫度測(cè)試范圍內(nèi)都表現(xiàn)出明顯的相變現(xiàn)象。眾所周知，這一相變行為不利于熱電應(yīng)用，因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)的突然變化會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)材料和接觸點(diǎn)間產(chǎn)生高內(nèi)應(yīng)力，高熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂產(chǎn)生，加速器件熱電性能惡化甚至于造成器件失敗。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種采用化學(xué)氣相沉積法制備單晶Ge-Sn-Te納米線的工藝，利用預(yù)加熱GeTe粉末手段控制Ge組分濃度，獲得的立方Ge-Sn-Te納米線的相變溫度能降低至300K以下，使得其在300～773K下發(fā)揮優(yōu)異的熱電性能，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:

一種單晶Ge-Sn-Te納米線的制備方法，包括如下步驟:

在化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)區(qū)內(nèi)放置反應(yīng)源，并在反應(yīng)源下風(fēng)向處放置潔凈襯底，再充分排除化學(xué)氣相沉積設(shè)備內(nèi)的空氣，而后充入載氣，且將化學(xué)氣相沉積設(shè)備內(nèi)的氣壓維持于設(shè)定氣壓值；所述反應(yīng)源為GeTe粉末和Sn粉末的混合物。

其后，將所述反應(yīng)區(qū)溫度提升至第一設(shè)定溫度，保溫設(shè)定時(shí)間，而將所述襯底溫度維持于第二設(shè)定溫度，且在反應(yīng)過(guò)程中，按設(shè)定流速持續(xù)通入載氣；

反應(yīng)結(jié)束后，繼續(xù)通入載氣，使化學(xué)氣相沉積設(shè)備自然降溫，獲得單晶Ge-Sn-Te納米線。